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1Ciclo: Los avances de la Química y su impacto en la Sociedad.Emilio Morán. 25 nov. 2010

NUEVOS MATERIALES PARA LA ENERGIA (eléctrica)

Emilio MoránDepartamento de Química Inorgánica

Facultad de Ciencias QuímicasUniversidad Complutense de Madrid

1


2

Indice

1. Energía: aspectos generales.2. Baterías.3. Pilas de combustible.4. El vehículo eléctrico.5. Superconductores.6. Otros dispositivos.7. Conclusión.


3

1. Energía: hitos y fuentes

VIENTOMUSCULO

SOL FUEGO

CARBÓN

PETRÓLEO

NÚCLEO

ELECTRICIDAD


4

Fuentes de energia

� Sol� Combustibles fósiles: carbón, petróleo, gas

natural.� Energías renovables: hidroeléctrica, eólica,

biomasa,…� Energía nuclear (fisión, fusión)� Otras: geotérmica, mareas, etc.


5

Energía y sociedad

� Consumo:

Fuente:�www.�Cienciateca.com�(Pedro�Gómez�Romero)�


6

Producción�de�petróleo�en:��A)�USA��B)�resto�del�mundo

A

B

El petróleo se agota….


7

Energia�electrica�en�España


8

Energía y sociedad: Problemas

� Incremento de la demanda. Países emergentes

� Agotamiento de los recursos fósiles� Irregular distribución geográfica de recursos� Incremento de los precios� Repercusiones en el medio ambiente: i.e.:

efecto invernadero, contaminación, gestión de residuos nucleares, etc.


9

Energía y sociedad: soluciones

� Economizar el consumo� Mayor eficiencia� Búsqueda de energías alternativas� Energías renovables� Nuevas ideas, nuevos dispositivos, nuevos

materiales


10

Electricidad:�la�energía�de�los�dioses


11

Materiales y Energía eléctrica

� Producción: Generadores electromagnéticos, Dispositivos fotovoltaicos, Pilas de combustible…

� Almacenamiento: Baterías, supercondensadores…

� Transporte: cables superconductores…

Energías�renovables�en�USA:�NREL��http://www.nrel.gov


12

2. BATERIAS

� Conceptos� Historia� Tipos� Baterias de ión litio� Programa Materyener/CAM


13

Pila Daniell (1836)

Celda�galvánica:�Dispositivo�capaz�de�convertir�energía�química(de�un�proceso�redox)�en�energía�eléctrica.Estrategia:�Separación�de�los�procesos�de�oxidación�y�de�reducción�(puente�salino).�Conexión�electrónica�externa.�Batería: celda�o�conjunto�de�celdas�conectadas�(sin�puente�salino).Fuente�de�energía�eléctrica�a�potencial�constante.

ANODO(�)

Oxidación:��Zn�� Zn2+ (aq) +�2�e� Eo =�+�0.76�V

CÁTODO�(+)

Reducción:�Cu2+(aq) +�2�e� � Cu��Eo =��+�0.34�V

Ecelda =�1.10�V.


14

Pila de Volta (1800)

1801: Volta presenta su pila eléctrica a Napoleón


15

Baterías primarias y secundarias


16

Baterías primarias: Leclanché (1866)(Pila Seca)

1870

1,5�Voltios

Ánodo:��Zn(s)�� Zn2+ (aq)�+�2�e�

Cátodo:��2�NH4+ (aq)�+�2�MnO2 (s)�+�2�e� � Mn2O3 (s)�+�2�NH3 (aq)�+�H2O�(l)��


17

Baterías secundarias : Acumulador de PlomoGaston Planté (1859),(70% de la producción mundial)

Ánodo:�� Pb(s)�+�SO42� (aq)� PbSO4 (s)�+�2�e�

Cátodo:��PbO2(s)�+�4�H+ (aq)�+�SO42� (aq)�+�2e�� PbSO4 (s)�+�2�H2O�(l)

Voltaje�(por�celda):�2�Voltios��12�Voltios�(�6�celdas)


18

Baterías: Parámetros característicos :•Capacidad: función del nº de electrones intercambiados y del P.M.

Amperios x hora / kg.

•Voltaje: diferencia de potencial entre los pares redox.

•Energía específica: Watios x hora / kg

•Densidad de energía: Watios x hora / litro

•Potencia: Watios/ kg ó Watios/litro (potencia específica)

•Requisitos: tamaño, peso, seguridad, durabilidad, coste……

19

Baterías primarias y secundarias

Ciclo: Los avances de la Química y su impacto en la Sociedad.Emilio Morán. 25 nov. 2010

19

M. Rosa Palacín. Chem. Soc. Rev. 38 (2009) 2565


20

Baterías: Aplicaciones y Energía demandada

� Relojes y pequeños dipositivos: 0.1 – 0.5 Wh� Teléfonos móviles: 2 – 4 Wh� Ordenadores portátiles: 30 – 100 Wh� Automóviles eléctricos: 5 – 10 KWh� Autobuses: > 100 Kwh� Centrales urbanas: MWh


21

Baterías recargables

� Densidad de energía elevada.

� Ligeras y de tamaño reducido.

� Impacto medioambiental bajo.

22

Baterías recargables: tipos

� Acumulador de Plomo: � Pb + Pb4+� 2 Pb2+ 2V� Níquel/ Cadmio: � 2NiOOH + Cd + 2H2O� 2 Ni(OH)2 + 2 Cd(OH)2 1.4V� Níquel / MH� NiOOH + LaNi5H6� Ni(OH)2 + LaNi5 1.2V� Sodio/Azufre� 2 Na + x S � Na2Sx (x: 3 – 5 ) (350ºC !!) 2.6V� Ión Litio:� LiCoO2 + C � Li1-x-CoO2 + LixC 3.2 – 4.2 V


22

23

¿Cómo Funciona una Batería recargable?

J. M. Amarillas. ICMM. CSIC

Li+

Li+

Etapa Descarga : Li+-Eneg. + Epost. + � Li+-Epost.+ Eneg.

Epost. Eneg.

24

¿Cómo Funciona una Batería recargable?

J. M. Amarillas. ICMM. CSIC

Etapa Carga : Li+-Epost. + Eneg. � Epost. + Li+-Eneg.

Epost. Eneg.

Li+

Li+

25

Baterías recargables: comparación


25


26

Comparación de baterias recargables


27


28

Las baterías de litio dominan el mercado en el campo de las 3 Cs: Cell phones, Computers, Cameras

Ciclo: Los avances de la Química y su impacto 2828


29


Baterías de litio: Ventajas

� Li muy ligero (P.A = 6,94) , por tanto más ligeras.� Muy alta capacidad � Li muy reductor (Eº Li+/Li = 3 V). Altos voltajes por celda (~ 4 V)� Alta densidad de energía, por tanto más pequeñas.� Alta ciclabilidad (>1000 ciclos; aprox. 3 años)� Amplio rango de temperaturas (de -20 a 60 ºC)� Ausencia de «efecto memoria»� Baja autodescarga � Menos contaminantes (ausencia de metales pesados aunque

muchas contienen Co)


31

Baterías de litio: Inconvenientes

� Total ausencia de humedad.� Riesgos de explosión.� Reservas limitadas de Li (Bolivia, Afganistán..)� Reservas limitadas de Co (guerras del Coltán…)� Dificultad en cambios a nivel industrial� Costes / precio.� etc


32

Baterías de litio: áreas de investigación

� NUEVOS ELECTRODOS (+)cátodo y � (-) ánodo� NUEVOS ELECTROLITOS� OPTIMIZACIÓN DE PROCESADO� NUEVOS DISEÑOS� NUEVAS APLICACIONES


33

Nuevos materiales como electrodos en baterías de litio.

3434Cátodo�óptimo:�Li�Ni1/3Mn1/3Co1/3 O2� :�200��mAh�g�1


35

Materiales catódicos (inserción): LiCoO2(J. Goodenough, 1990)

Alto potencial redox. Emedio= 3.9 V

Elevada capacidad reversible. Q=142 AhKg-1

Elevada ciclabilidad. (> 1000 ciclos )

Alto coeficiente de difusión. D=10-7-10-

8cm2s-1

Pero:•Elevado coste•Toxicidad


36

Materiales catódicos alternativos a LiCoO2: espinelas de Li/Mn

- ( Li +, e- )

+ ( Li +, e- )

LiMn3+Mn4+O4� � 2��Mn4+O2 +�Li+ +�e�

Síntesis�sencilla,��Alto�voltaje�(4�V);�Capacidad�moderadamente�alta�(120��mAhg�1),

bajo�costo,�bajo�impacto�medioambiental,….��Pero:Pérdida�progresiva�de�capacidad�al�ciclar�o�con�elevadas�intensidades�(ENVEJECIMIENTO)


37

Materiales catódicos alternativos a LiCoO2: fosfatos de Fe y Li J. Goodenough. 1997

LiFe2+PO4 � Fe3+PO4 +�Li+ +�e�

•Baja�conductividad�electrónica�(resuelta�recubriendo�con�C)•Alta�capacidad:�160�mAg•Alto�voltaje�:�3.4�V•Heterogeneidad�de�reacciones•Alta�seguridad•Nula�toxicidad•Bajo�coste•Ha�propiciado�la�búsqueda�de�otros�materiales:�eg.�LiFeSiO4

Estructura�tipo�olivino


38

Comparación entre baterías recargables

LiFePO4 LiMn2O4 LiCoO2 PbA (Lead acid))

ENERGY STORAGE Good Good Very Good Bad

CYCLELIFE 1500 300-800 300-500 200-300

TOTAL COST OF OWNERSHIP

Very Good Acceptable Acceptable Acceptable

SAFETY Good Unsafe during high discharge

Unsafe during high discharge Good

SIZE Acceptable Good Very Good Bad

WEIGHT Good Good Very Good Bad

OPERATING TEMPERATURE

Good -45°C to 70°C Bad > 50°C Bad < -20°C ad >

50°C Good Bad under 0°C

Fuente:�web�de�M2Power��(Amsterdam)��2009


39

Baterías de Litio: Materiales Anódicos (-)

• Litio (10 KWhkg-1, pero problemas de seguridad…)

• Grafito

• Materiales carbonosos

• Óxidos mixtos de Litio: i.e. Li4Ti5O12 (espinela), baterías «rocking chair»


40

Baterías de Litio: Electrolitos• LiClO4 disuelto en carbonatos de alquilo

• LiPF6 disuelto en disolv. orgánicos• Electrolitos poliméricos

• Electrolitos sólidos: ej. La2/3-xLi3xTiO3 (perovskita)Li1+xM2-xAx(PO4)3 (M: Ge, Ti, Zr) (A= Sc, Al)Li7La3Zr2O12 (granate)

Requisitos: alta conductividad (>10-3S cm-1)alta estabilidad (térmica y redox)baja viscosidad


41

Baterías recargables: no convencionales

• De aleación

• De flujo redox

• Con otros metales (Na+, Mg2+…)

42

Nuevas estrategias para la obtención de materialespara baterías de litio

UCM – USP (CEU)

Cálculos a partirde primeros principios

Nuevos Procesados

Nuevas composiciones,Nuevas estructuras

DRX”in situ”

Materiales obtenidos bajoalta presión/ alta temperatura

42


43

V

O

Ambient�pressure

O

V

High�pressure

6 GPa

800ºC/90 min

V2O5

Well�known�electrode�material Electrochemical�response�vs.�Li?

double�layers�of��composition�V4O10


44

1)�Towards�innovative�electrode�materials�obtained�by�high�pressure:Experimental�and�computational�study�of�HP�V2O5E.�Arroyo�et�al.��Electrochemical�Communications 2007

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4

E / V

cycles 1-26 C / 7

x in Lix HP-V

2O

5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 0.4 0.8 1.2 1.6

E / V

cycles 27 - 52 C / 3.5

x in HP-LixV

2O

5

1.2

1.6

2

2.4

2.8

3.2

3.6

0 0.5 1 1.5 2

E /

V

x in HP-LixV

2O

5

12529

77

2263078

Phase�5

Phase�6

45

2) Structural evolution of ramsdellite-type LixTi2O4 upon electrochemical lithium insertion-deinsertion (0�x�1). J. of Power Sources 2007

Structural evolution during topotactical electrochemical lithium insertion and deinsertion reactions in ramsdellite-like LixTi2O4 has been followed by means of in situ X-ray diffraction techniques (conventional XRD and SYNCHROTRON)

The small changes in cell parameters well reflect the remarkable flexibility of the ramsdellite framework againstlithiation and delithiation reactions.

1

1.5

2

2.5

3

0 0.5 1 1.5 2x in Li

xTi

2O

4

E /

V v

s. L

i+ /Li

x Li in LixTi2O4

II II+III III I+II I

x in LixTi2O4

Vol

ume

(Å3 )

x in LixTi2O4

136

138

140

142

144

136

138

140

142

144

0 0.5 1 1.5 2

Phase IPhase IIPhase III

45

4646

Elena C. Gonzalo

LiNO3 + (1-x)CoCO3 + x Ga(NO3)3 · 2H2O � LiGaxCo(1-x)O2 + CO2 � + yNOx �0�x�0.25

1. Homogeneización intensa con acetona.

2. Prensado en pastillas de 0.3 gramos y 12mm de diámetro.

Crisol grande

Crisol pequeño

Mullita

Pastilla

Crisol grande

Crisol pequeño

Mullita

Pastilla

Síntesis.

3. Radiación de microondas con potencia 350-650W y tiempo 5-20 minutos.

1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0

531

440

33140

0

511

22231

1

**

** ****

***

x = 0 .0 0

x = 0 .0 5

x = 0 .1 0

x = 0 .1 5

x = 0 .2 0

x = 0 .2 5

2 �

Inte

nsid

ad (u

.a.)

*

111

* L iG a O 2

Síntesis�en�minutos�de�LiCoO2MICROONDAS

E. Gonzalo et al . Mat. Chem. Phys. 2010

4747

MATERIALES PARA COMPONENTES DE BATERÍAS RECARGABLES DE LITIOSusana García Martín y Miguel Á. Alario Franco

Óxidos tipo LaLiTiO: estructura y microestructura cristalinas; propiedades eléctricas

La2/3LixTi1-xAlxO30.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35

2.0x10-5

4.0x10-5

6.0x10-5

8.0x10-5

1.0x10-4

��(S

cm-1

)

T = 1300º C T = 1000º C

Conductividad a 300 K en función de la composición y de la temperatura de congelación de la muestra

4848

(Li1-xNax)0.2La0.6TiO3 (Jesús Sanz et al)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5-11

-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2(a)

log � dc

(S/c

m) a

t RT

[Li]

LLTO LNLTO

Inte

rcal

ated

lith

ium

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5x in Li

0.5-xNa

xLa

0.5TiO

3

Los caminos de difusión del Li bloqueados por el Na.

La substitución de Li por Na reduce drásticamente las propiedades de transporte (Na > 0.2).

400 200 0 �200 �400

(Li1�xNax)0.2La0.6TiO3

x�=�0.0

x�=�0.5

x�=�0.65

x�=�0.8

ppm

(Li1-xNax)0.2La0.6TiO3

DN EIC

RMN Insercion Electroquímica

Conductores IConductores Ióónicos de Litionicos de LitioRef: ARef: A--11--11


49

100�nm 100�nm

100�nm 100�nm

TiO2 Macroporoso

ESTRUCTURAS�POROSAS�ORDENADAS�COMO�MATERIALES�DE�ELECTRODOMaría�José Torralvo�et�al.

Moldeado por réplica ��

25 25 ººCC50 50 A cmA cm--22

Electrolito comercial LP30Electrolito comercial LP30

TiO2 + x(Li+ +1e-) � LixTiO2


50

3. Pilas de combustible

� Concepto� Historia� Tipos� Pilas de óxido sólido (SOFC)� Programa Materyener/CAM


51

Pilas de combustible

Dispositivos capaces de convertir eficientemente en energía eléctricala energía asociada a un proceso de combustión (sin pérdidas térmicas).Son un tipo de batería primaria. Combustible ideal : Hidrógeno.

52

Sir Willam Robert Grove (1811-1896)

(1839)

Ciclo: Los avances de la Química y su impacto en la

Sociedad Emilio Morán 25 nov

52

53

ElectrolitoElectrolito

áá nod

ono

do

cc ááto

doto

do

dispositivodispositivoCombustible: HCombustible: H22 Comburente (oxidante): OComburente (oxidante): O22

Esquema de una pila de combustible de hidrógeno

ee--ee--

H+ HH2 2 2H2H+++2e+2e

2H2H++ + 2e + + 2e + 1/2 O1/2 O22 HH22O O

(sub)(sub)--producto: Hproducto: H22OO

½ O2 + 2 e O2-Sólido

Conductor iónico de hidrógeno

53

54

Pila de combustible

H2O (+ i ) H 2 + ½ O2 H 2 + ½ O2 H2O (+ i )

H2O H 2 + ½ O2 54

ELECTROLISIS

del H2O

55

Combustible (H2) Comburente (O2)

CátodoAnodo

Electrolito

Pila de combustible

Gran superficie de contacto

Electrolito delgado: conductor iónico y aislante electrónico

SoluciSolucióónne- e-

55

56

Electrolito

Pila de combustible: Pila de combustible: ¿¿Como funciona?Como funciona?

Sólido


56

57

Tipo Ión Móvil

Temperatura de operación

Comentarios

Alcalina(AFC)

OH- 50-200 ºC Vehículos espaciales: Apolo, Lanzadera,…

Membrana de intercambio protónico (PEMFC)

H+ 30-100 Vehículos y aplicaciones móviles

Metanol Directo(DMFC)

H+ 20-90 Sistemas portátiles de baja potencia: ordenadores, teléfonos (larga duración)

Ácido Fosfórico (PAFC) H+ 220 Existen muchos de hasta 200 kW en funcionamiento

Carbonato fundido CO32- 650 Adecuados para centrales de ciclo

combinado (CHP: combined heat and power) de tamaño medio ( 1 MW)

Óxido sólido (SOFC) O2- 500-1000 Válido para ciclo combinado en diferentes tamaños

Tipos de pilas de combustible

57

58

Electrolito:

KOH (aq)

embebida en una matriz

9090--100 100 ººCC

Ánodo: H2+ 2 OH- 2H2O + 2 e

Cátodo: ½ O2 + H2O+2e 2 OH-

Célula: H2+ ½ O2 H2O

Pilas Alcalinas: AFCPilas Alcalinas: AFC

“Baratas”

Oxígeno libre de CO2 58

59

Membrana Polimérica

Pila de

Membrana de intercambio

protónico

30-100 ºCÁnodo: H2 2H+ + 2 e-

Cátodo: ½ O2 + 2H+ + 2 e- H2O

Célula: H2+ ½ O2 H2O59

60Ciclo: Los avances de la Química y su impacto en la Sociedad.Emilio Morán. 25 nov. 2010 60

61

Airgen, Fuel Cell Generator, Airgen, Fuel Cell Generator, BALLARDBALLARD

Recomendedretail price EUR 6,495.00(without tax, duty and delivery)only availablein North America

61

62

Metanol directoMetanol directo

ÁÁnodo: CHnodo: CH33OH + HOH + H22OO COCO22+ 3H+ 3H22

3H3H22 6H6H + + + 6e+ 6e

2 H+ + O= H2O

Facilidad de almacenamiento del combustible

Produce CO2

Otros combustibles:

62

63

ÁÁcido fosfcido fosfóórico: rico: PAFCPAFC

Electrolito: Ácido fosfórico liq. embebido en una matriz

175175--200 200 ººCC

ÁÁnodo: Hnodo: H22 2H2H ++ + 2 e+ 2 e

CCáátodo: todo: ½½ OO22 + 2H+ 2H+++2e H+2e H22OO

CCéélula: Hlula: H22+ + ½½ OO22 HH22OO

Calefacción y electricidad de un bloque de apartamentos

Primera comercializada; Más de 200 instaladas en el mundo

COGENERACIÓN únicamente

Hasta 200 kw de potencia eléctrica y otros 220 kW de potencia térmica

Eflorescencia ácido fosfóricoco63

64

Carbonato fundido: Carbonato fundido: MCFCMCFC

Gas “impuro”: Gas natural, gas de síntesis, biogás,...

No hace falta reformado; Cogeneración

CO no es un problema: alta temperatura. No catalizador

Electrolito: Solución de carbonatos de litio, sodio y/o potasio embebida en una matriz

600600--1000 1000 ººCC

Ánodo: H2+ CO3= H2O+CO2 + 2e

Cátodo: ½ O2 + CO2+2e CO3=

Célula: H2+ ½ O2 +CO2 H2O +CO2

64

65

ÓÓxido sxido sóólido: lido: SOFCSOFCÁnodo: H2 +O= H2O + 2 e

Cátodo: ½ O2 + 2e O=


Electrolito:

Zirconia estabilizada con Ytria

600600--1000 1000 ººCC

Hidrógeno y aire; electrolito barato

Alta temperatura, simplifica el reformado

“Electrodos sin platino”: LaMO3 ( M = Fe, Mn, Cr….) y derivados

65

66

SOFC: SOFC: ÓÓxido sxido sóólidolido

1 kW

100 kW

Ánodo: H2 +O= H2O + 2 e

Cátodo: ½ O2 + 2e O=


66

67

Conjunto de 24 pilas SOFC

2.2 cm x 150 cm (Siemens Westinghouse) Batería de SOFC: 1152 células y 200 kW

Unidad de ciclo combinado: Calor y electricidad

8.5 x 3.0 x 3.0 m3; 100 kW

67

68

Componente Estructura Composición Acrónimo

ÁnodoFluorita

M’-(Zr1-xYxO2-�) M’= Co, Cu,Ni,Rh,Ru M’-YSZ

M’O-(Zr1-xYxO2-�) M’=Co, Ni M’O-YSZ

M’O-(Ce1-xGdxO2-�) M’=Co,Ni M’O-CGO

PerovskitaLa1-xSrxCr1-yM’yO3-�

M’=Mn,Fe,Co,Ni LSCM’

Sr2MgMoO6-�

CátodoPerovskita

Ln1-xM’xM’’O3-�Ln=La,Pr,Nd,Sm

M’=Ca,Ba,Sr M’’=Co,Mn,Fe

LM’M’’

M’1-xSrxCo1-yFeyO3-�M’=La, Ba M’SCF

Ruddlesden-Popper (K2NiF4)

M’2-xSrxM’’O4-�M’=Pr,Sm M’’=Fe,Co M’SM’’

Electrolito

Fluorita

Zr1-xM’xO2-�M’=Y,Sc,Ca M’SZ

Ce1-xM’xO2-�M’=Gd,Sm,Y,La,Nd,Ca,Ba M-CGO

PerovskitaBaM’1-xM’’xO3-�

M’=Zr,Ce M’’=La,Nd,Y,Gd,Sm,Tb,Yb

BM’M’’

Apatita La10(MO4)6O2-�M=Si, Ge

Cuspidina La4(Ga2-xGexO7+1/2x)O2

Materiales�empleados�como�componentes�de�pilas�de�combustible�SOFCs

69

Electrolitos para SOFCElectrolitos para SOFC

(1-x) ZrO2 + x/2 Y2O3 <> Zr1-xYxO2-x/2 x/2

++

ZrO2 <> Zr2O4 Y2O3



69

70

Conductividad elConductividad elééctrica a 1000 ctrica a 1000 ººC de las circonas C de las circonas estabilizadas en funciestabilizadas en funcióón de la concentracin de la concentracióón de dopanten de dopante


70

71


Conductividad eléctrica de diferentes electrolitos sólidos en función de la temperatura71

72

Tamaño de las partículas de Rh: 30 ÅTamaño de las partículas de CeO2: 1000 Å

100nm 20 nm

Impregnación de CeO2 con sales de Rodio Formación de partículas metálicas de Rh.

Materiales para electrodosMateriales para electrodosRef: ARef: A--22--11

Diseño de conductores mixtos, iónicos y electrónicos, para electrodos de pilas de combustible de óxido sólido.Rh/ Zr1-xCexO2 de alta superficie SBET

C. Force, E. Román, J.M. Guil, J. Sanz, J. Phys. Chem., (2007).

Objetivos:Analizar la reducción de los óxidos (RTP, OSC).Adsorción de hidrógeno (técnica RMN).Determinar la movilidad de hidrógeno.

72

73

Configuración tubularConfiguración planar

Materiales para electrodosMateriales para electrodosRef: ARef: A--22--22Procesado de componentes de SOFC Procesado de componentes de SOFC

Ánodo soportadoAutosoportadas

Paso crítico: obtener electrolitos densos y de pequeño espesor

Top.: 900-1000 ºC Top.< 800 ºC

73

Alejandro Várez et al. UC3M.

74

Del microondas…

…a la pila de combustible

LaFeO3

Síntesis�asistida�por�microondas�de�componentes�de�pilas�de�combustible�SOFCs

J.Prado�Gonjal�et�al.��Mat.Res.Bull�(2010)�doi:10.1016/j.materresbull.2010.11.010


75

• Situación actual y perspectivas:

Autonomía y prestaciones.Baterías : ¿electrolineras?Pilas de combustible: ¿hidrogeneras? Híbridos.

Mercado.

6. El vehículo eléctrico


76

Primer automóvil eléctrico.Thomas Parker. Inglaterra (1884)El motor de combustiónganó la batalla.

Modelo 100% eléctrico (2009)Velocidad Máxima 100 Km/hAutonomía 180 km


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El coche eléctrico (EV) o híbrido(HEV)

NEC BatteryCátodo de LiMn2O4Voltaje= 3.8VEnergía específica= 87 WhKg-1

Prototipo FTO-EV’sMitsubishi Motor’s & Japan Storage BatteryRecord Mundial de distancia recorrida en 1dia: 2142 Km

No�contamina,�al�no�emitir�niGASES�ni��RUIDO

Problemas:�Autonomía,�recarga,�duración


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Internacionalización del Programawww.hychain.org



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80Ciclo: Los avances de la Química y su impacto en la


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8181


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� La Agencia Internacional de Energía afirma que en 2050 al menos un tercio de los vehículos será eléctrico, otro tercio serárepresentado por coches híbridos y los demás serán coches eléctricos que utilizan combustible de hidrógeno.

83


83

5. Superconductores

Kammerlingh-Onnes 1911

Efecto Meissner


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851910 1930 1950 1970 1990 2000

20

0

40

60

80

100

120

140

160

Tc (K)

año

HgPb Nb

N bONbN

Nb2Sn

V3Si

NbAlGeBalacuo

Srlacuo

Srlacuo (HP)

Ybacuo

BiSCO

TlBaCaCuO

HgBaCaCuO

HgBaCaCuO (HP)

C1/2Cu1/2Ba2CaCu3O8+x ( 117 K)

N2liq.

He liq.

H2 liq.

Ne liq.

165 K (25 GPa)

Nb3Ge

?

?

135 K (1 atm)

125 K (1 atm)

Progresión a lo largo del tiempo de la temperatura crítica de los materiales superconductores

C1/2Cu1/2Ba2CaCu3O8+x (HP) ???


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Estructura cristalina de los diferentes miembros de la familia de “cupratos de mercurio” superconductores HgBa2Can-1CunO2n+2+�

Tc = 94 Tc = 127 Tc = 135

150 (25 GPa)

165 (250 GPa)

Tc = 110

n=1 n=2 n=3 n=4 n=5


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Xavier ObradorsICMAB-CSIC


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Nuevos cupratos 1212Nuevos cupratos 1212

P 4/ P 4/ mmmmmm

9090

HP / HT synthesis of materials• Preparation�of� polymorphs A � B• Reactions driven by pressure and temperature A + B �C

Synthesis conditionsBelt type pressTemperature <1400 CPressure: 40- 80 kbar


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6. Otros dispositivos relacionados con la energía

� Supercondensadores� Fotovoltaicos� Termoeléctricos� Magnetocalóricos� Etc…

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Nuevos materiales de carbono basados en grafenoNuevos materiales de carbono basados en grafenoL. Carlos Otero-Díaz et al. 2010.

Carbones derivados de carburosCarbones derivados de carburosEj.Ej. C derivado de MoC derivado de Mo 22CC

Carbones derivados de metalocenosCarbones derivados de metalocenosEj.Ej. C derivado de Cr(CC derivado de Cr(C 66HH66))22

Materiales multifuncionales: baterías (ánodo); supercondensadores, etc… 92

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7. Conclusión

• El desarrollo sostenible requiere energías renovables (provenientes del Sol).

• La gestión eficiente de la energía requiere nuevas ideas, nuevos sistemas y NUEVOS MATERIALES.

• Esto se aplica especialmente a la energía eléctrica.


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Programa Materyener (CAM) 2006-2014

• Refs: S-0505/PPQ-0093 y

• Grupos Participantes: • UCM: Coordinador: (M. A. Alario y Franco et al.)• USP-CEU (F. García-Alvarado et al.)• UC3M (A. Várez et al.)• ICMM-CSIC (J. Sanz et al.)

www.ucm.es/info/materyener

ICMM

nuevos materiales para la energia (eléctrica)€¦ · ciclo: los avances de la química y su...

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